EP0302082A1 - Aufgeladene mehrzylindrige hubkolben-brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden abgasturboladern. - Google Patents

Aufgeladene mehrzylindrige hubkolben-brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden abgasturboladern.

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EP0302082A1 EP87906073A EP87906073A EP0302082A1 EP 0302082 A1 EP0302082 A1 EP 0302082A1 EP 87906073 A EP87906073 A EP 87906073A EP 87906073 A EP87906073 A EP 87906073A EP 0302082 A1 EP0302082 A1 EP 0302082A1
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a supercharged multi-cylinder reciprocating internal combustion engine with a plurality of exhaust gas turbochargers working in parallel. According to the preamble of claim 1, an optimal charge air supply adapted to the operating state of the reciprocating internal combustion engine is achieved.
  • Reciprocating piston internal combustion engine can be supplied with compressed air.
  • the associated exhaust gas turbocharger is stopped by blocking the exhaust gas supply to the turbine.
  • the air supply to the deactivated cylinders which are operated as a compressor, is provided either through the stationary charge air compressor or directly from the surroundings via additional intake valves on the cylinders. In this operating state, there is no positive charge air pressure in the charge air compressor of the switched-off exhaust gas turbocharger and in the charge air line of the switched off cylinders. Fs therefore lacks the overpressure necessary for the functionality of the sealing air seals.
  • Lube oil supply is not interrupted during the temporary shutdown of the exhaust gas turbocharger. If there is no sealing air pressure, lubricating oil escapes through the sealing air seals. The leak oil collects as a pool in the spiral casing of the exhaust gas turbine and charge air compressor of the shutdown exhaust gas turbocharger. When switching on the exhaust gas turbocharger, the Leakage puddles torn from the charge air compressor's spiral housing from the charge air flow into the charge air manifold, which leads to overheating in the assigned cylinder, which is hazardous to operation. Leakage oil escaping from the exhaust gas turbine leads to coking and to uncontrolled exhaust gas fire with damage to the impeller and exhaust system that is hazardous to the operation.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that, by decoupling the air supply for the deactivated cylinders, the air mass flow rate of the exhaust gas turbocharger that cannot be deactivated results in operation in the optimal operating range and increased pressure ratio, that a charge air pressure in the charge air line system that is above the ambient air pressure is achieved when idling and partial load that during the operating times with the cylinders switched off, the charge air compressor of the switched-off exhaust gas turbocharger is also acted upon by the charge air pressure prevailing in the charge air line system due to the shut-off device arranged on the suction side, that the seal air seals on the running gear of both exhaust gas turbochargers are sufficiently supplied with compressed air by the increased charge air pressure, resulting in lubricant oil leaks into the spiral housing prevents and with the improved charge air supply to the non-deactivated cylinders, the operation of the reciprocating internal combustion engine chine at idle and in partial load is improved. Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are described in more detail
  • Figure 1 Supercharged internal combustion engine with two rows of cylinders and two exhaust gas turbochargers working in parallel.
  • a reciprocating piston internal combustion engine consists of two groups of cylinders 11 and 12, which are supplied with pre-compressed charge air from a charge air manifold 19, each through a charge air line section 13, 14. Exhaust pipe sections 15, 16 are assigned to the cylinder groups 1 and 12, respectively, which open into an exhaust manifold 34.
  • the charge air is supplied by two exhaust gas turbochargers 17, 18 arranged in parallel on the reciprocating piston internal combustion engine and each consisting of an exhaust gas turbine 25 or 26 and a charge air compressor 24 or 27.
  • the exhaust gas turbocharger 18 is designed such that it can be switched on and off by a controllable shut-off device 30 arranged in the exhaust gas line 39.
  • a controllable shut-off device 30 arranged in the exhaust gas line 39.
  • the charge air is supplied solely by the exhaust gas turbocharger 17 when the exhaust gas turbocharger 18 is switched off so that no charge air can escape through the charge air compressor 27 during the switching off of the exhaust gas turbocharger 18, an automatically closing shut-off device 37 is arranged in the charge air suction line 36 .
  • the exhaust gas turbines 25, 26 are connected on the inlet side via the exhaust pipes 38, 39 to the exhaust manifold 34 and on the outlet side to the exhaust pipe 31.
  • the charge air compressors 24, 25 are connected to the charge air suction lines 35 and 36 and convey compressed charge air via lines 20, 21 and charge air cooler 22, 23 into the charge air manifold 19.
  • the cylinders 12 are switched off at idle and at partial load and run without power output. Since the valve control times are not changed when the cylinders 12 are switched off, a charge exchange of air takes place in the cylinders 12 in the switched-off state.
  • the exhaust gas supply of the reciprocating internal combustion engine is low at idle and at partial load. Even when the exhaust gas turbocharger 18 is switched off, the exhaust gas supply does not provide enough drive power to generate a boost pressure above the ambient air pressure with the exhaust gas turbocharger 17, even if the air mass requirement of the switched off cylinders 12 ' must also be covered by the charge air compressor 24.
  • a remedy is provided according to FIG. 1 between the charge air manifold 19 and the charge air line section 14 of the deactivated cylinders 12.
  • the switching device 32 establishes a connection between the charge air line section 14 and a suction opening 33 opening into the surroundings, which serves to supply air to the deactivated cylinders 12.
  • the connected exhaust gas turbocharger 17 is thereby relieved on the compressor side of the air mass requirement of the deactivated cylinders 12.
  • the exhaust gas turbine 25 works with a mass throughput which is composed of the gas throughput of the cylinders 12 and the exhaust gas mass flow of the cylinders 11 supplied with fuel.
  • the compressor 24 of the exhaust gas turbocharger 17 works with the resulting increased drive power in a favorable operating range, so that a charge air pressure in the charge air lines 13, 19, 20, 21 which is above the ambient pressure is established.
  • a safety quick shut-off device 40 is arranged in each charge air line section 13, 14 and is closed in the event of danger in order to quickly shut down the reciprocating piston internal combustion engine.
  • the switching device 32 is the safety quick shut-off device 40 in
  • controllable device 43 and the suction opening 33 are designed as independent components.
  • the suction opening 33 is assigned a check valve 44 which is kept closed when the device 43 is in the position of the charge air pressure prevailing and which opens when the cylinder 12 is switched off.
  • the device for locking the charge air line section 14 and the safety quick shut-off device are combined to form a switchover device 42.
  • the suction opening 33 is blocked when the quick shut-off device responds or the cylinders 12 are supplied with fuel.

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Description

Aufgeladene mehrzylindrige Hub olben-Brenn raftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mi einer derartigen Anordnung wird eine dem Betriebszustand der Hubkolben-Brennkraftmaschine angepaßte optimale Ladeluftversorgung erreicht.
Aus der DE-PS 28 38 952 ist eine gattungsgemäße Hubkolben- Brennkraftmaschine bekannt, bei der jeder Zylinderreihe ein Abgasturbolader zugeordnet ist. Gegen Schmierölverluste sind am Laufzeug der Abgasturbolader sogenannte Sperrluftdichtungen angeordnet, die aus der Ladeluftleitung der
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Druckluft versorgt werden. Bei Abschaltung der einen Zylinderreihe wird der zugehörige Abgasturbolader durch Sperren der Abgaszufuhr zur Turbine stillgesetzt. Die Luftversorgung der abgeschalteten, als Kompressor betriebenen Zylinder erfolgt entweder durch den stehenden Ladeluftverdichter hindurch oder über zusätzliche Ansaugventile an den Zylindern direkt aus der Umgebung. Bei diesem Betriebszustand ist im Ladeluftverdichter des abgeschalteten Abgasturboladers und in der Ladeluftleitung der abgeschalteten Zylinder kein positiver Ladeluftdruck vorhanden. Fs fehlt damit der für die Funktionsfähigkeit der Sperrluftdichtungen notwendige Überdruck. Die
Schmierölversorgung ist während der zeitweisen Stillsetzung des Abgasturboladers nicht unterbrochen. Bei fehlendem Sperrluftdruck tritt Schmieröl durch die Sperrluftdichtungen aus. Das Lecköl sammelt sich als Lache im Spiralgehäuse von Abgasturbine und Ladeluftverdichter des stillgesetzten Abgasturboladers. Beim Zuschalten des Abgasturboladers wird die Lecköllache aus dem Spiralgehäuse des Ladeluftverdichters vom Ladeluftstrom in die Ladeluftsammelleitung gerissen, was zu betriebsgefährdender Überhitzung in den zugeordneten Zylinder führt. An der Abgasturbine austretendes Lecköl führt zu Verkokung und zu unkontrolliertem Abgasbrand mit betriebsgefährdenden Schäden am Laufrad und der Auspuffanläge.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der in Betriebszeiten mit geringer Teillast auch nach Abschaltung von Abgasturboladern und Abschaltung von einigen Zylindern in der. Ladeluftsammelleitung ein über dem Umgebungsluftdruck liegender Druck aufrechterhalten bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 und 5.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Abkoppelung der Luftversorgung für die abgeschalteten Zylinder der Luftmassendurchsatz des nicht abschaltbaren Abgasturboladers einen Betrieb im optimalen Betriebsbereich und erhöhtem Druckverhältnis ergibt, daß bei Leerlauf und Teillast ein über dem Umgebungsluftdruck liegender Ladeluftdruck im Ladeluftleitungssystem erzielt wird, daß während der Betriebszeiten mit abgeschalteten Zylindern auch der Ladeluftverdichter des abgeschalteten Abgasturboladers infolge der saugseitig angeordneten Absperrvorrichtung mit dem im Ladeluftleitungssystem herrschenden Ladeluftdruck beaufschlagt ist, daß durch den erhöhten Ladeluftdruck die Sperrluftdichtungen am Laufzeug beider Abgasturbolader ausreichend mit Druckluft versorgt werden, was Schmierölaustritte in die Spiralgehäuse verhindert und daß mit der verbesserten Ladeluftversorgung der nicht abgeschalteten Zylinder der Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Leerlauf und im Teillastbereiσh verbessert ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreih und zwei parallel arbeitenden Abgasturboladern;
Fig. 2 bis 4 Anordnungsvarianten des absperrbaren
Ladeluftleitungsabschnittes der absσhaltbaren Zylinder.
Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine besteht aus zwei Gruppen von Zylindern 11 und 12, die aus einer Ladeluftsammelleitung 19 durch je einen Ladeluftleitungsabschnitt 13, 14 mit vorverdichteter Ladeluft versorgt werden. Den Zylindergruppen 1 bzw. 12 sind Abgasleitungsabschnitte 15, 16 zugeordnet, die in eine Abgassammelleitung 34 münden. Die Ladeluftversorgung erfolgt durch zwei an der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnete, parallel arbeitende Abgasturbolader 17, 18, die jeweils aus einer Abgasturbine 25 bzw. 26 und einem Ladeluftverdichter 24 bzw. 27 bestehen.
Der Abgasturbolader 18 ist durch eine in der Abgasleitung 39 angeordnete, steuerbare Absperrvorrichtung 30 ab- und zuschaltbar ausgebildet. Bei Betriebszeiten mit vermindertem Abgasangebot der Hubkolben-Brennkraftmaschine erfolgt bei abgeschaltetem Abgasturbolader 18 die Ladeluftversorgung allein durch den Abgasturbolader 17. Damit während der Abschaltung des Abgasturboldaders 18 durch den Ladeluftverdichter 27 hindurch keine Ladeluft entweichen kann, ist in der Ladeluftsaugleitung 36 eine selbsttätig schließende Absperrvorrichtung 37 angeordnet.
Die Abgasturbinen 25, 26 sind eintrittsseitig über die Abgasleitungen 38, 39 an die Abgassammelleitung 34 und austrittsseitig an die Auspuffleitung 31 angeschlossen. Die Ladeluftverdichter 24, 25 sind an die Ladeluftsaugleitungen 35 bzw. 36 angeschlossen und fördern verdichtete Ladeluft über Leitungen 20, 21 und Ladeluftkühler 22, 23 in die Ladeluftsammelleitung 19. An jedem der druckölgeschmierten Abgasturbolader 17, 18 sind am Laufzeug Sperrluftdichtungen gegen Schmierölverluste angeordnet, die jeweils über eine Leitung 28 bzw. 29 mit Druckluft aus der Ladeluftleitung 20 bzw. 21 versorgt werden.
Durch eine nicht weiter dargestellte Einrichtung zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr werden die Zylinder 12 bei Leerlauf und bei Teillast abgeschaltet und laufen ohne Leistungsabgabe mit. Da die VentilsteuerZeiten bei den abgeschalteten Zylindern 12 nicht verändert sind, findet im abgeschalteten Zustand ein Ladungswechsel von Luft in den Zylindern 12 statt.
Bei Leerlauf und bei Teillast ist das Abgasangebot der Hubkolben-Brennkraftmaschine gering. Selbst bei abgeschaltetem Abgasturbolader 18 liefert das Abgasangebot zu wenig Antriebsieistung um mit dem Abgasturbolader 17 ein über dem Umgebungsluftdruck liegenden Ladedruck zu erzeugen, wenn auch der Luftmassenbedarf der abgeschalteten Zylinder 12' durch den Ladeluftverdichter 24 mitgedeckt werden muß.
Bei zu niedrigem oder fehlendem Ladeluftdruck sind die Sperrluftdichtungen am Laufzeug beider Abgastrubolader 17, 18 nicht mehr funktionsfähig, so daß Schmieröl durch die Sperrluftdichtungen hindurchtreten kann.
Abhilfe schafft eine gemäß Fig. 1 zwischen Ladeluftsammelleitung 19 und Ladeluftleitungsabschnitt 14 der abgeschalteten Zylinder 12 angeordnete Umschaltvorrichtung 32.
Bei Unterbrechung der Brennstoffzufuhr für die Zylinder 12 wird durch Betätigen der Umschaltvorrichtung 32, die Verbindung zwischen der Ladeluftsammelleitung 19 und dem Ladeluftleitungsabschnitt 14 unterbrochen. Gleichzeitig stellt die Umschaltvorrichtung 32 eine Verbindung zwischen dem Ladeluftleitungsabschnitt 14 und einer in die Umgebung mündend Saugöffnung 33 her, die der Luftversorgung der abgeschalteten Zylinder 12 dient. Der zugeschaltete Abgasturbolader 17 ist dadurch auf der Verdichterseite vom Luftmassenbedarf der abgeschalteten Zylinder 12 entlastet. Die Abgasturbine 25 arbeitet jedoch mit einem Massendurchsatz der sich aus dem Gasdurchsatz der Zylinder 12 und dem Abgasmassenstrom der mit Brennstoff versorgten Zylinder 11 zusammensetzt. Der Verdichte 24 des Abgasturboladers 17 arbeitet mit der daraus resultierenden erhöhten Antriebsleistung in einem günstigen Betriebsbereich, so daß sich ein über dem Umgebungsdruck liegender Ladeluftdruck in den Ladeluftleitungen 13, 19, 20, 21 einstellt.
Damit ist immer ein für die Wirksamkeit der Sperrluftdiσhtungen ausreichender Überdruck vorhanden.
In jedem Ladeluftleitungsabschnitt 13, 14 ist eine Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung 40 angeordnet, die im Gefahrenfall zur raschen Stillsetzung der Hubkolben-Brennkraftmaschine geschlossen wird. Die Umschaltvorrichtung 32 ist der Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung 40 im
Ladeluftleitungsabschnitt 14 in Strömungsrichtung der Ladeluft vorgeschaltet.
Nach Fig. 2 sind die steuerbare Vorrichtung 43 und die Saugöffnung 33 als voneinander unabhängige Bauelemente ausgebildet. Der Saugöffnung 33 ist dabei ein Rückschlagventil 44 zugeordnet, das bei Durchgangsstellung der Vorrichtung 43 vo herrschenden Ladeluftdruck geschlossen gehalten wird und sich bei Abschaltbetrieb der Zylinder 12 öffnet.
Gemäß Fig. 3 sind Umschaltvorrichtung 32 und Sicherheit-Schnellabsperrvorrichtung 40 als Kombinationsgerät ausgebildet. Bei der Schnellabsperrstellung wird auch der Durchgang der Saugöffnung 33 zum Ladeluftleitungsabschnitt 14 durch eine Sperre 41 geschlossen.
Bei der Variante nach Fig. 4 sind die Vorrichtung zum Sperren des Ladeluftleitungsabschnittes 14 und die Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung zu einer Umschaltvorrichtung 42 kombiniert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, den Durchgang von der Saugöffnung 33 zum Ladeluftleitungsabschnitt 14 durch eine steuerbare Vorrichtung 45 absperrbar auszubilden. Die Saugöffnung 33 ist gesperrt, wenn die Schnellabsperrvorrichtung anspricht oder die Zylinder 12 mit Brennstoff versorgt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Aufgeladene mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern, von denen mindestens einer ab- und zuschaltbar ausgebildet ist, wobei di Hubkolben-Brennkraftmaschine eine Einrichtung zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr zu einigen der Zylinder bei Leerlauf oder bei Teillastbetrieb aufweist und die Zylinder, die durch Unterbrechung der Brennstoffzufuhr abgeschaltet mitgeschleppt werden, eine von der Ladeluftversorgung der übrigen Zylinder unabhängige Luftzufuhr aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für alle parallel arbeitenden Abgasturbolader (17, 18) eine gemeinsame Ladeluftsammelleitung (19) angeordnet ist, daß jede zu- und abschaltbare Abgasturbolader (18) auf der Saugseite des Ladeluftverdichters (27 ein Rückschlagventil (37) aufweist, daß der den abschaltbaren Zylindern (12) zugehörige Ladeluftleitungsabschnitt (14) durch eine steuerbare Vorrichtun (43) von der Ladeluftsammelleitung (19) absperrbar ausgebildet ist und daß für die Luftzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern (12) am zugehörigen Ladeluftleitungsabschnitt (14) eine Saugöffnung (33) angeordnet ist.
2. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Vorrichtung (43) und die Saugöffnung (33) zusammengefaßt als Umschaltvorrichtung (32 ausgebildet sind.
3. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (32) mit einer im Ladeluftleitungsabschnitt (14) angeordneten Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung (40) zusammengefaßt ausgebildet ist.
4. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Ladeluftleitungsabschnitt (14) angeordnete Sicherheits-Schnellabsperrvorrichtung (42) mit einer zusätzlichen Betätigungsmöglichkeit während BetriebsZeiten mit Zylinder- und Abgasturboladerabschaltung ausgebildet ist.
5. Aufgeladene Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnung (33) steuerbar ausgebildet ist.
EP87906073A 1987-02-17 1987-09-23 Aufgeladene mehrzylindrige hubkolben-brennkraftmaschine mit mehreren parallel arbeitenden abgasturboladern Expired - Lifetime EP0302082B1 (de)

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